Расчет параметров солнечных батарей

Для расчетов основных параметров СБ влияющих на конструкцию КА, его технических характеристик воспользуемся следующими формулами [«Конструирование автоматических космических аппаратов»авторы: Д.И. Козлов, Г.Н. Аншаков, В.Ф. Агарков, Ю.Г. Антонов §7.5]:

Расчет параметров СБ сводится к определению ее площади и массы.

Расчет мощности СБ производится по формуле:

(6)

где — мощность СБ; Р_н — среднесуточная мощность нагрузки (без учета собственных нужд СЭП); — время ориентации СБ на Солнце за виток; t_T— время, в течение которого СБ не освещена; ^—КПД регулятора избытка мощности СБ, равный 0,85; — КПД регулятора разряда БН, равный 0,85; _р.₃ — КПД регулятора заряда БН, равный 0,9; — КПД аккумуляторных батарей БН, равный 0,8.

Площадь солнечной батареи рассчитывается по формуле:

(7)

где – удельная мощность СБ, принимаемая:

120 Вт/м² при = 60 °С и 85 Вт/м² при = 110 °С для материала ФЭП КСП;

140 Вт/м² при = 60 °С и 100 Вт/м² при = 110 °С для материала ФЭП;

170 Вт/м² при = 60 °С и 160 Вт/м² при = 110 °С для материала ФЭП Ga – As; — коэффициент запаса, учитывающий деградацию ФЭП из-за радиации, равный 1,2 для времени работы два-три года и 1,4 для времени работы пять лет;

– коэффициент заполнения, вычисляемый по формуле 1,12; – КПД СБ = 0,97.

Масса СБ определяется исходя из удельных параметров. В имеющихся в настоящее время конструкциях СБ удельная масса составляет = 2,77 кг/м² для кремниевых и = 4,5 кг/м² для арсенидгаллиевых ФЭП.

Масса СБ рассчитывается по формуле:

(8)

Для начала расчёта СЭП необходимо выбрать солнечные батареи. При рассмотрении различных СБ выбор пал на следующие: солнечные батареи организации ОАО «Сатурн» на основе GaAs фотопреобразователей со следующими характеристиками, информация взята с сайта [http://www.saturn.kuban.ru/solar_battery.html]:

Параметр СБ	СБ на основе GaAs ФП
Срок активного существования, лет
КПД при температуре 28 °C, %
Удельная мощность, Вт/м²
Максимальная мощность, Вт/м²
Удельная масса, кг/м²	1.6
Толщина ФЭП, мкм	150 ± 20

Также для расчета понадобиться знать период обращения ИСЗ на низкой околоземной орбите, информация взята с сайта [https://ru.wikipedia.org/wiki/Низкая_околоземная_орбита]:

в диапазоне от 160 км период обращения около 88 минут;

до 2000 км период около 127 минут.

Для расчета возьмем усредненное значение – около 100 мин. При этом время освещенности солнечных панелей КА на орбите больше (около 60 мин), чем время нахождения их в тени около 40 мин.

Мощность нагрузки равна сумме требуемой мощности двигательной установки, целевой аппаратуры, мощности заряда и равна 220 Вт (значение взято с избытком 25 Вт).

Подставляя все известные значения в формулу [6], получаем:

после проведения расчетов, получим

Для определения площади панели СБ примем материал ФЭП Ga–Asпри рабочей температуре = 60 °С, работе спутника 2-3 года и воспульзуемся формулой [7]:

подставляя исходные данные, получим:

после проведения расчетов, получим

но с учетом не частого заряда аккумуляторной батареи, использования современных технологий в разработке других систем, а также с учетом того, что мощность нагрузки была взята с запасом около 25 Вт, возможно сократить площадь СБ до 3,6 м².

Определим массу СБ для арсенидгаллиевых ФЭПприменяя формулу[8]:

подставляя исходные данные, получим:

после проведения расчетов, получим

Итого, можно сделать вывод о том, что на технические характеристики и возможности КА в значительной мере влияет система электропитания. Для увеличения эффективности СЭП нужно стремиться к уменьшению массы энергопотребляемой аппаратуры за счёт применения более эффективных солнечных и аккумуляторных батарей. Необходимо искать солнечные и аккумуляторные батареи с более высоким КПД и меньшими массовыми характеристиками. Также как видно вес АБ и СБ, сильно влияет на вес КА в общем, чем остальные системы, масса полной СЭП в нашем случае примерно 6-7 кг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из анализа параметров различных типов аккумуляторных и солнечных батарей можно сделать вывод, о стремлении уменьшения общей массы системы электропитания космического аппарата за счет уменьшения массы СБ и АБ, увеличения КПД и срока службы при нахождении новых конструктивных и технических решений в плане усовершенствования элементов системы электропитания и поиск максимально эффективных и надежных материалов.

В ходе выполнения расчетной части были получены следующие параметры: время разряда и заряда, емкости разряда, напряжение заряда, саморазряд, а также удельная энергия химического источника аккумуляторных батарей,мощность, площадь панелей и масса солнечных батарей.

Также были рассмотрены различные типы аккумуляторных батарей в зависимости от химических источников тока, а также солнечных батарей в зависимости от используемых материалов в качестве фотоэлектрического преобразователя, были приведены их модификации, особенности устройства и принципы работы. Установлены основные параметры солнечных и аккумуляторных батарей, по параметрам были определенны технические возможности типов солнечных и аккумуляторных батарей, непосредственно влияющие на технические характеристики космических аппаратов.

На сегодняшний день широкое распространение получили солнечные батареи использующие в качестве материала для фотоэлектрических преобразователей арсенидгаллия из-за высокой удельной мощности выхода, также наиболее перспективным считается никель-водородные аккумуляторные батареи, которые превосходят по многим показателям кадмиево-никелевые и серебрено-цинковые аккумуляторы.

Список использованных источников

1 Молдабеков М.М., Ахмедов Д.Ш., Алипбаев К.А., Елубаев С.А., Сухенко А.С. Об участии Казахстана в международном университетском проекте создания группировки наноспутников.// Материалы международной конференции «Космос на благо человечества – взгляд в будущее», г. Астана, 6-7 января 2011 г. – с. 17-19.

2 Быховский М. А. Развитие телекоммуникаций на пути к информационному обществу. Развитие спутниковых телекоммуникационных систем.

3 Талызин Н.В. «Спутники связи - Земля и Вселенная», 1977

4Конструктирование автоматических космических аппаратов // Д.И. Козлов, Г.П. Аншаков, В.Ф. Агарков и др.: Под ред. Д.И. Козлова – М.: Машиностроение. 1996-448 с., ил.

5 Основы проектирования летательных аппаратов (транспортные системы). Учебник для технических вузов // В.П. Мишин, В.К. Безвербатый, Б.М. Панкратов и др.: Под ред. В.П. Мишина. – М.: Машиностроение. 1985-360 с., ил.

6 Туманов А.В., Зеренцов В.В., Щеглов Г.А. Основы компоновки бортового оборудования космических аппаратов: учеб.пособие – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010-344 с.

7 Инженерный справочник по космической технике // А.А. Алатырцев, А.И. Алексеев, Ю.Н. Богданов и др.: Под ред. А.В. Солодов – М.: Военное издательство министерства обороны СССР, 1969-350 с.

8Никольский В.В. Основы проектирования автоматических космических аппаратов. Учебник. С-Пб.: БГТУ "Военмех", 2007. 230 с.

9 https://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная_батарея

10 http://www.plasma.ru/process/4

11Интернет-ресурс Берлинского технического университета:http://www.raumfahrttechnik.tu-berlin.de

11 Интернет-ресурс ОАО «Сатурн»: http://www.saturn.kuban.ru/

12 Интернет-ресурс Википедия. Информация о спутнике «Юбилейный»: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AE%D0%B1%D0%B8%D0%BB%D0%B5%D0%B9%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%28%D0%9A%D0%90%29

13 http://www.siliconradar.de/datasheets/Datenblatt_TRX_024_06_v1.5.pdf

14 https://ru.wikipedia.org/wiki/Трансивер

Спецификации (перечень сокращений, условных обозначений и т.д.)

АБ – аккумуляторные батареи

ГР – глубина разряда

КА – космический аппарат

КЭУ – космическая энергоустановка

САС – срок активного существования

СБ – солнечные батареи

СЭП – система электропитания

СЭУ – солнечные энергоустановки

ФЭП – фотоэлектрические преобразователи

ЭХИТ – электрохимические источники тока

СБ – солнечные батареи